在执行外业测绘任务中，自然地理环境复杂恶劣，相关地理信息的掌握程度、勘测路线的设计质量和导航的准确性，这些都会直接影响测绘工作的效率，甚至影响外业测绘人员的人身安全。外业测绘人员在山区、戈壁、沙漠、高原等人烟稀少、条件恶劣的陌生测区执行外业测绘任务时，需要根据点位坐标到达目的地进行踏勘。常用的导航设备(如导航仪、手机)是根据目的地名称确定导航路线，而测绘工作需要根据点位坐标确定导航路线。通常利用GPS手持机进行定位导航，但目前的GPS导航地图主要以道路和聚落区为主^[1]，缺少乡村道路及临时道路信息。这种方式比较适用于城市内部的导航，但难以满足郊区尤其是野外测绘导航的需要。由于GPS手持机内置地图比例尺小，缺少乡村道路等详细信息，只能获得当前位置到目的地的直线方向和距离，无法进一步规划具体行进道路，而现实的道路纵横交错，难以寻找最佳的行进路线。在互联网高度普及的今天，需求的刺激使信息更新速度和传递速度越来越快。传统的纸质地图的地理信息和数据已远远不能满足人们的需求^[2]，该地图更新速度慢，且很难找到比较详细的山区道路交通地图，尽管有时能够找到一些地图，但多数是一些简图^[3]。纸质地形图由于比例尺小、图像数据更新不及时、地形地物显示不具体、定位效率低，指导导航效果并不明显。通常需要当地人员作为向导，当测区范围面积较大时，向导的经验认知范围又十分有限。手机、导航仪等移动端的互联网的地图导航服务，更新速度快且图像精度高，但其GPS定位精度不高，在网络信号未覆盖的地域，尤其是在山区、边疆沙漠、戈壁等地区难以充分发挥效用。

陈彬^[4]在Android智能终端设备安装OruxMaps软件，可以将多种网络地图下载制作成离线地图，在卫星图上精确显示当前位置、记录走过的轨迹、导入kml或kmz文件进行导航，但手机的定位精度不如GPS手持机。周鹏程等^[5]通过计算机制作GPS手持机户外登山导航地图，通过各条道路的GPS手持机轨迹制作户外登山导航地图，但采集GPS手持机轨迹劳动强度大。蒋国才^[6]使用谷歌地球提供的保存图像工具, 保存当前屏幕所显示的图像，利用CASS和MapGIS拼接正射影像图，但拼接过程繁琐。

本文提出了一种基于互联网离线地图进行导航的方法，通过测区的互联网离线地图数据制作成图像，利用Global Mapper软件依据特征点地理坐标和图像坐标进行匹配，获得精准的电子地图，判读地形地貌，规划合适的行进路线，使用GPS手持机实时导航与事后监视，以满足边疆地区执行测绘任务时的导航需要。基于互联网离线地图的导航设计流程如图 1所示。

1 互联网离线地图的制作

互联网地图经过近十年的迅猛发展，以卫星影像图、电子地图、三维地形图等形式为人们的生产、生活提供便利，在导航中得到了广泛的应用，如手机、GPS手持机、车载导航等移动终端。互联网上常见的提供地图服务有谷歌地球、百度地图、SOSO、高德、天地图、搜狗、维基等，均为互联网在线服务，数据存储在网络数据库中，依靠网络服务缓存到客户端。

以谷歌地图为例，卫星地图采用WGS-84坐标系和Web墨卡托投影(正轴等角圆柱投影)，采用分级分幅进行存储，其在线展示都是以分级为基础来展示的，级数越高，影像越清晰。同样，地图离线数据下载的方式也以分级为基础。服务器分为国外服务器和国内服务器。国外服务器下载的数据没有偏移，但道路和地名信息标签数据只到12级；而国内服务器道路和地名信息标签数据非常详细，但坐标有偏移，偏移量约在500 m左右，使用时需要纠偏。故建议使用国外服务器获取无偏移的数据，或者使用国内服务器获取的纠偏后的数据。一般情况城区选择19级，郊区选择16级比理想，选择级别之前，需通过在线地图浏览确认下载的级别是否有数据。

1.1 离线数据的获取

目前，网络上各种在线地图下载软件中，水经注万能地图下载器是一种常用的国产地图获取软件^[7]。该软件可以下载谷歌地球(Google Earth)高清卫星影像(精度0.25 m、WGS-84无偏移坐标)、原始谷歌地球高程(TIF格式)和矢量等高线(数字高程模型(digital elevation model, DEM)、SHP和DXF格式)，支持谷歌、百度、天地图和必应等三十多种卫星地图、电子地图、地形图、2.5维地图和海图下载，可与Google Earth KML、AutoCAD、ArcGIS、MapInfo、Global Maper、MapGIS等矢量数据完美套合，具备标准分幅、按行政范围下载(裁剪)、批量新建任务、断点续传、智能进度查看、HOST智能更新和软件自动更新等功能，提供单张无限大小图片拼接、自定义图片大小分块拼接、标准瓦片、谷歌瓦片、百度瓦片、金字塔瓦片、ArcGIS Server瓦片、TMS瓦片、自定义瓦片格式导出功能，MBTiles、OruxMaps、GeoPackage和SQLiteDB离线包导出功能；可保存为GeoJPG、GeoTIF、Erdas Imageine、JPG、PNG、BMP等多种图片格式。本文通过水经注万能地图下载器获取互联网离线地图数据。

1) 根据测绘任务点位坐标及人员可能到达的区域，确定下载区域范围。地图下载区域可以是矩形、多边形或标准分幅(瓦片数据)。这可以通过鼠标框出矩形区域、绘制多边形或导入格式为*.kml或*.shp文件等方式确定下载区域。

2) 根据目的地图像的比例尺、分辨率，选择电子地图种类、地图区域、离线数据层级。建议使用国家标准分幅模式。

3) 下载DAT格式的离线地图瓦片数据。

1.2 离线地图的拼接

矢量地图按照经纬度差进行划分，存储为相同图幅大小的矢量地图瓦片块，每个地图瓦片块记录了落入瓦片中的点、线、面等地理要素的属性信息和空间信息^[8]。矢量地图数据组织复杂，具有多层次、多分辨率等特点。因此，在显示矢量地图时，采用分层分级来显示，有利于提高显示效率和程序设计的条理性。

选择下载完毕的DAT格式的影像文件及标签文件，进行地图拼接，影像转换器自动检测出当前地图的原始坐标系为WGS_1984_Web_Mercator，输出地图的默认坐标系为WGS-84(转换为WGS-84坐标系更容易检验纠偏的准确性)，可生成的图像有JPG、TIF等格式。由于TIF格式的图片具有坐标数据，能够显示每个像素点的地理坐标，而JPG格式的图片不含有地理坐标，故JPG格式的图片存储比TIF格式文件要小很多。

1.3 电子地图的匹配与检查

由于TIF格式文件中含有地理坐标数据，不需要再建立坐标系；而JPG格式的文件加载至Global Mapper中，需要建立坐标系，通常是为图像的4个角点坐标添加地理坐标，或者在地标建筑特征点(如房屋拐角、圆形中心、道路交叉点等)上添加地理坐标。

为验证电子地图制作的准确性，可以在地标建筑特征点上通过GPS手持机定位或在谷歌地球上拾取点位坐标，与电子地图上特征点坐标进行比对，两点坐标距离应不超过当前比例尺允许的误差大小及GPS手持机定位精度。若满足精度要求则说明电子地图与实际环境一致；若存在明显的不一致，则说明电子地图的制作过程中存在异常，需要检查图像是否需要纠偏或特征点位坐标是否准确。

2 导航功能的实现 2.1 行车路线规划

传统的GPS导航仪不能实时更新数据，一般半年或一年才升级一次^[9]，而GPS手持机很少更新地图文件。由于GPS手持机获得的电子地图为影像数据，不能自动规划行车路线，需要人工判读，确定行车路线。根据当前位置及目的地坐标在电子地图上进行路线规划，选取合适的道路到达目的地。路线的规划优劣影响着导航的实施效率。行车路线规划可以在Global Mapper软件中直接进行规划，也可以在Google Earth中进行规划，保存成kml文件加载至Global Mapper软件中。影像识图和野外行车经验有助于规划合适的行车路线。在目的地方向的选择上，应尽可能优先选取主干道路，如国道、省道、县道等；其次是乡村道路。但当没有明显的道路时，可根据以往车辆行驶痕迹的影像来判断该道路到达目的地。已有实时导航系统未能完全收录所有道路，可能漏报行车路线或错报行车路线。这种通过人为经验去判断道路通行情况的方法，能够有效地判断山区、戈壁、沙漠等地区车辆临时碾压形成的道路能否到达目的地，发现可能存在临时修路、禁行的情况，从而避免错过可以通过的临时道路，减少走禁行道路的可能。

2.2 导航功能的实施

因为用户电脑没有GPS实时获取定位信息，所以不能实现实时导航。只能就起始点至目的地的路线进行绘制，包括路线详细的信息，如道路名称、道路长度、相对于下一条路段的转向等。不能直观锁定用户在实际道路中当前位置的信息，所以导航一般在具有GPS或其他卫星定位系统的移动端上才能实现真正导航的功能。

加载了电子地图的Global Mapper软件中通过USB数据线或者串口线连接GPS手持机，接收GPS信号实现定位导航，以通过USB数据线连接电脑和Garmin eTrex手持机。GPS手持机放置在能够接收GPS信号区域，Global Mapper软件连接GPS手持机成功后，能够显示GPS手持机的信息。2016年1月25日，在洛阳市牡丹大桥上进行跑车测试，导航效果如图 2所示，显示了当前车辆的经纬度、高程、定位精度、运动速度、运动方向等信息。

3 应用实例

本文利用该导航方案在新疆博斯腾湖地区进行了线路踏勘，测区内有湖泊、沙漠、戈壁、山丘，人迹罕至，大部分地域没有网络信号，道路以县乡柏油公路和砂石道路为主，另有车辆临时碾压道路。通过水经注万能地图下载器在谷歌地图国内服务器上，获取了测区16级的谷歌影像图，该地图的标准图幅为K45G052044、K45G052045、K45G053044、K45G053045，实地大小约为10.4 km×9.3 km，其第16层的卫星影像空间分辨率为4.8 m，下载影像DAT文件大小约6.4 MB，加载道路标签生成的第16层TIF格式文件大小约18 MB。其中，利用国内服务器的谷歌地图数据生成电子地图时需要勾选纠偏选项，否则图像坐标与实际地物的坐标会有很大偏移。通过图像拼接与纠偏，得到WGS84坐标系的TIF格式的电子地图，加载至Global Mapper中。博斯腾湖西南角某地有一乡村柏油道路路，但在GPS手持机地图中并没有显示，如图 3(a)所示；通过卫星影像图能够清晰地识别出此道路。在谷歌地球上规划路径，加载至电子地图，如图 3(b)所示，其中深色路径为规划线路，浅色为导航线路。该导航方案能够帮助外业测绘人员实现快速定位导航，尤其是在沙漠、戈壁、山区、无网络信号地区作用明显，能够指导测绘人员快速到达目的地，提升作业效率。

导航和追踪的目是获取地物点的动态定位和轨迹信息，最终需要下载与其他的地理信息一同使用^[10]。把GPS手持机记录的轨迹通过TripWayPoint软件导出为GPX格式文件，加载到Global Mapper，可以实现行车路线的事后监控，查看巡逻时行车路线和历史记录，标注地形、地物、路况等信息，可以督促野外巡逻、车辆驾驶等工作按照规定路线行进。

4 结束语

本文利用互联网上的地图导航服务获得了高精度的离线地图数据，进行图像拼接后得到高精度的卫星影像，根据地标特征点坐标和图像坐标进行图像匹配，利用电子地图规划行车路线，使用GPS手持机进行实时导航。该方法在外业测绘任务工作中得到了实地验证，能够快速简便地实现定位导航，节省时间，提升了外业线路勘测的作业效率。此外，还可以在野外巡逻、车辆驾驶工作中进行事后监控。

由于笔记本电脑硬件的制约，这种导航方案目前还存在不足，如电脑的重量、电池的续航能力和室外条件下屏幕的亮度，制约着使用效果，影响用户的体验，这将是以后研究的方向。